實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)簡介

謝鴻齡++牛林++劉祥明++劉水

【摘要】近年來國內(nèi)部分高校已經(jīng)開始微電網(wǎng)技術(shù)的研究，本文將以實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)為對象，介紹實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、控制方式、運(yùn)行方式以及常用控制策略；通過對實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)的介紹，讓讀者了解實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)的控制方式和運(yùn)行狀態(tài)，以及風(fēng)、光、儲(chǔ)多能如何互補(bǔ)、平衡，與外電網(wǎng)的能量配合等問題。

【中圖分類號(hào)】TM7-2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）02-0260-02

一、微電網(wǎng)發(fā)展背景

可再生能源發(fā)電成為新能源利用的重要途徑，尤其是清潔能源的開發(fā)和利用，包括風(fēng)能、太陽能等清潔能源；然而隨著越來越多的分布式發(fā)電（風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電）接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化[1]。分布式發(fā)電中的涉及整流和逆變等電力電子裝置，勢必給整個(gè)電網(wǎng)帶來較大的諧波，這是新能源在利用時(shí)不得不面對的問題。微電網(wǎng)的提出為新能源的利用提供了新的思路[1][2]。

二、微電網(wǎng)的定義

微電網(wǎng)[1]是一種小型電網(wǎng)，包括傳統(tǒng)電網(wǎng)的所有部分，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、負(fù)載等五大方面，將風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電、負(fù)荷、儲(chǔ)能、控制裝置有機(jī)整合在一起，將新能源電源作為微電網(wǎng)的組成部分，通過微電網(wǎng)與外電網(wǎng)相連，最大程度的利用新能源[1][2]。

三、實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)的構(gòu)成

微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電五大部分組成，以20kW光伏、4臺(tái)2kW風(fēng)機(jī)為電源，由光伏并網(wǎng)逆變器、風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）、單體容量為100Ah聚儲(chǔ)能鋰電池、并離網(wǎng)控制裝置MSD-831、380V母線、母線斷路器、通信管理機(jī)等裝置組成實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)系統(tǒng)。

四、微電網(wǎng)的控制

微電網(wǎng)的控制，軟件方面是由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)來完成，硬件方面是由并離網(wǎng)控制器、雙向儲(chǔ)能變流器等設(shè)備組成[1][2]；微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)監(jiān)控著各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件與母線之間的開關(guān)，微電網(wǎng)與外電網(wǎng)之間的開關(guān)，以及氣象條件，如風(fēng)速、氣溫等[1][2]；還可以采集風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的發(fā)電曲線、發(fā)電量以及光照強(qiáng)度等信息；微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以對所監(jiān)控的開關(guān)、設(shè)備進(jìn)行后臺(tái)操作；通過微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)自身的控制策略還可對微電網(wǎng)作出相應(yīng)的運(yùn)行控制，如離網(wǎng)能量平衡、儲(chǔ)能SOE維護(hù)、黑啟動(dòng)等。

五、微電網(wǎng)的運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)的運(yùn)行有并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行兩種方式，發(fā)電方式為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩種新能源發(fā)電，光伏組件發(fā)電后由匯流箱匯流進(jìn)入光伏逆變器[1][3]，逆變后接入母線；風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電后由地下電纜接入風(fēng)機(jī)控制柜，電源接入母線后，則由母線分配電能給本地負(fù)載使用，同時(shí)與外電網(wǎng)相連，可將多余電能送入外電網(wǎng)[1][2]；當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)所發(fā)出電能，如太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電，一方面供給本地一、二、三級負(fù)荷，另一方面對本地儲(chǔ)能充電，剩余電量進(jìn)入外電網(wǎng)；當(dāng)外電網(wǎng)故障時(shí)則與外電網(wǎng)斷開，獨(dú)立運(yùn)行。

1.并網(wǎng)運(yùn)行

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速達(dá)到3m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)發(fā)電，并通過風(fēng)機(jī)控制器接入380V母線；光伏組件在有光照的情況下通過匯流箱和光伏逆變器將電能接入380V母線；微電網(wǎng)在滿足本地負(fù)載和儲(chǔ)能的情況下，若電源出力充足，則送入外電網(wǎng)；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)電源出力優(yōu)先本地負(fù)載和儲(chǔ)能[1][3]，如果對微電網(wǎng)電源出力有限制，則會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的交換功率曲線對電源出力進(jìn)行調(diào)控，不一定是額定運(yùn)行，可能是調(diào)度運(yùn)行；如果微電網(wǎng)電源出力不足，則由微電網(wǎng)電源與外電網(wǎng)電能同時(shí)對微電網(wǎng)本地負(fù)載和儲(chǔ)能供電。

2.孤島運(yùn)行

當(dāng)外電網(wǎng)遭受攻擊或者故障時(shí)，則微電網(wǎng)檢測故障后由微電網(wǎng)并離網(wǎng)控制器將微電網(wǎng)與外電網(wǎng)斷開，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行[1]，此時(shí)由微電網(wǎng)的電源對儲(chǔ)能和本地負(fù)載供電；有時(shí)由于特殊原因，比如天氣等原因，微電網(wǎng)電源出力不足，則不足部分由儲(chǔ)能提供電能供給本地負(fù)載，如果出現(xiàn)微電網(wǎng)電源出力嚴(yán)重不足甚至沒有出力，則儲(chǔ)能獨(dú)自供給負(fù)載，隨著儲(chǔ)能下降，則將三級負(fù)載切除，隨后切除二級負(fù)載，若電源仍不能恢復(fù)，則一級負(fù)載切除，微電網(wǎng)停止供電；當(dāng)微電網(wǎng)電源出力恢復(fù)，則恢復(fù)一級負(fù)載，隨之恢復(fù)二級、三級負(fù)載，同時(shí)維護(hù)儲(chǔ)能；當(dāng)外電網(wǎng)恢復(fù)后，則由孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運(yùn)行，繼續(xù)和外電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

3.控制策略

實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)通過微電網(wǎng)管理系統(tǒng)來控制，控制策略包括黑啟動(dòng)、離網(wǎng)能量平衡、防逆流、儲(chǔ)能SOC自動(dòng)維護(hù)、交換功率控制、儲(chǔ)能充放電曲線控制、并網(wǎng)自動(dòng)恢復(fù)、平滑出力控制等策略，實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)系統(tǒng)的常用控制策略為離網(wǎng)能量平衡和儲(chǔ)能SOC自動(dòng)維護(hù)。

（1）離網(wǎng)能量平衡

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電和光伏發(fā)電如果出力足，除了供給儲(chǔ)能和本地負(fù)載以外，剩余電量將送入外電網(wǎng)，當(dāng)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，則離網(wǎng)能量平衡策略保證發(fā)電、儲(chǔ)能、負(fù)載之間的平衡，離網(wǎng)運(yùn)行后，如果風(fēng)電和光伏發(fā)電出力足，則保證儲(chǔ)能和本地負(fù)載的基礎(chǔ)上，將多余出力限制[1][2]；如果出力不足，則不足部分由儲(chǔ)能供給；儲(chǔ)能則扮演著制衡者的角色，風(fēng)電和光伏發(fā)電如果出力足則儲(chǔ)能是和本地負(fù)載一起得到電能，若儲(chǔ)能已經(jīng)達(dá)到上限，則由負(fù)載自身消耗，若不能消耗，則限制風(fēng)、光出力；風(fēng)電和光伏發(fā)電如果出力不足，則儲(chǔ)能為電源的角色，儲(chǔ)能和風(fēng)、光一起供給本地負(fù)載，讓儲(chǔ)能、風(fēng)力、光伏在離網(wǎng)下達(dá)到平衡。

（2）儲(chǔ)能SOC自動(dòng)維護(hù)

實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)儲(chǔ)能由電池管理系統(tǒng)（BMS）、雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）、單體容量為100Ah聚儲(chǔ)能鋰電池構(gòu)成，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測每個(gè)單體電池的電壓、電流的大小[1]，雙向儲(chǔ)能變流器的直流側(cè)與電池相連，交流側(cè)與變壓器相連，當(dāng)直流側(cè)和交流側(cè)都有電，則微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)、光出力對儲(chǔ)能電池和負(fù)載供電，當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測充電已達(dá)到上限，則進(jìn)入維護(hù)，電能全部供給負(fù)載，剩余送出外電網(wǎng)，若沒有剩余甚至出力不足，則由外電網(wǎng)供給本地負(fù)載，同時(shí)對儲(chǔ)能電池逆變后充電；當(dāng)外電網(wǎng)失電，雙向儲(chǔ)能變流器的交流側(cè)母線失電，則由并離網(wǎng)控制裝置MSD-831發(fā)出并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)運(yùn)行的信號(hào)，則微電網(wǎng)孤島運(yùn)行[1][2]；此時(shí)儲(chǔ)能SOC自動(dòng)維護(hù)對電池繼續(xù)維護(hù)，如果風(fēng)光出力足，則供給負(fù)載和電池，若電池不需要充電，則限制風(fēng)光出力；如果風(fēng)光出力不足，則儲(chǔ)能電池放電供給本地負(fù)載，隨著電池儲(chǔ)能下降，將分步驟切除一、二、三級負(fù)荷，保證電池電量處于最低下限時(shí)停止供電，讓儲(chǔ)能得到維護(hù)；當(dāng)出力恢復(fù)或者外電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，則逐漸恢復(fù)一、二、三級負(fù)載，同時(shí)對儲(chǔ)能充電，當(dāng)電池電量達(dá)到上限，則停止充電。endprint

六、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)已經(jīng)具備了微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)能、光能、儲(chǔ)能，通過黑啟動(dòng)、離網(wǎng)能量平衡、防逆流、儲(chǔ)能SOC自動(dòng)維護(hù)、交換功率控制、儲(chǔ)能充放電曲線控制、并網(wǎng)自動(dòng)恢復(fù)、平滑出力控制等策略，可以研究實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)與外電網(wǎng)在能量方面的優(yōu)化配置；后續(xù)將繼續(xù)增加柴油發(fā)電機(jī)作為補(bǔ)充能源的微電網(wǎng)與外電網(wǎng)在風(fēng)、光、儲(chǔ)、備等多方能量的平衡研究，最大限度的利用新能源，微電網(wǎng)具備自己的電源，將風(fēng)、光等新能源、儲(chǔ)能以及備用電源和本地負(fù)載有機(jī)整合，控制各個(gè)能量之間的分配和外電網(wǎng)的電能達(dá)到平衡；這將是未來電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一。

參考文獻(xiàn)

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Zuo wen-xia，Li peng-sen，Wu xi-ke，Cheng jun-zhao.Microgrid technology and development overview[J].China power，2009，7（42）：26-30.

第一作者：謝鴻齡，男，碩士，助教，主要從事微電網(wǎng)運(yùn)行、電子變流研究，申報(bào)專利13項(xiàng)，其中以第一作者身份申報(bào)發(fā)明專利兩項(xiàng)，獲得授權(quán)實(shí)用新型專利11項(xiàng)；主持云南省科技廳青年項(xiàng)目一項(xiàng)，紅河學(xué)院校級項(xiàng)目一項(xiàng)，參與國家自科基金項(xiàng)目一項(xiàng)，紅河學(xué)院教改項(xiàng)目兩項(xiàng)，博士啟動(dòng)項(xiàng)目一項(xiàng)；在第一屆全國大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競賽中獲西部賽區(qū)光電組三等獎(jiǎng)。

第二作者：牛林（1963-），女，教授，碩士，主要研究方向?yàn)檫^程控制。

第三作者：劉祥明（1979-），男，講師，博士，主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人。

第四作者：劉水（1987-），女，學(xué)士，畢業(yè)于昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)工作于紅河州氣象局，主要從事氣象信息技術(shù)等信息工作。endprint